處理財務數(shù)據(jù)的電子系統(tǒng)需要高度的可靠性，賭場游戲機也不例外。這些機器存儲和/或訪問敏感的個人和財務信息，包括玩家數(shù)據(jù)和金額。玩家還可以調取補償資金和存儲的積分，這些金融交易可以代表數(shù)千美元或更多。游戲機還需要存儲各種關鍵的操作信息，例如用戶按鍵，支出比率和獲勝統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

由于賭注可能很高，因此在停電，電源故障或機器故障的情況下，游戲機必須能夠安全地保留所有這些信息。通常，當嵌入式系統(tǒng)發(fā)生故障時，它將默認返回安全模式，該模式使關鍵任務功能可以不間斷地繼續(xù)運行。例如，一架飛機必須保持運轉以防止其墜毀。

賭場游戲機則相反。發(fā)生故障時，標準操作程序是確保機器受到保護，而不是清除錯誤狀態(tài)。在這一點上，通常建議對機器進行分析以確定故障原因并創(chuàng)建證據(jù)鏈日志以用于潛在的賠付。例如，如果玩家剛好在死機前獲得了一個大獎，則此證據(jù)記錄對于確定該獎金是否被接受至關重要。

（圖1：游戲機的框圖。）

除了存儲玩家和操作數(shù)據(jù)之外，系統(tǒng)還需要存儲FPGA和/或MPU使用的游戲算法圖像（見圖1）。此外，還需要記錄操作執(zhí)行狀態(tài)和系統(tǒng)堆棧。這些日志中的數(shù)據(jù)對于保證賭場運營的安全完整性至關重要。

所有這些要求共同為工程師帶來了挑戰(zhàn)性的問題。必須安全存儲大量數(shù)據(jù)需要高密度的內存。此外，內存子系統(tǒng)必須非常快，以防止斷電期間丟失數(shù)據(jù)。

非易失性存儲器

首先，非易失性存儲器至關重要。傳統(tǒng)上，游戲機使用電池供電的SRAM來有效保留內存。但是，這種方法不能提供足夠的可靠性。電池供電的SRAM需要多個組件，并且比單獨的本地非易失性存儲芯片消耗更多的PCB面積。通常在回流工藝之后安裝電池，以避免溫度過高影響電池，因此這會增加制造成本。電池還需要按計劃進行維護和更換。這樣的維護增加了運營費用。如果游戲機采用諸如嗡嗡聲或震動之類的反饋，則這種振動會導致將電池易失效。最后，不符合RoHS要求的電池給娛樂場經營者帶來了不必要的麻煩。

由于這些原因，制造商更喜歡使用無電池非易失性存儲解決方案來存儲記錄的信息。表1列出了幾種類型的非易失性存儲器。 EEPROM有限的耐用性并不適合必須連續(xù)運行數(shù)十年的游戲機。

（表1：不同非易失性存儲器類型的比較。）

基于閃存的方法，即使像EEPROM這樣的有限耐用性計數(shù)，也可以使用稱為損耗平衡的技術來延長存儲器的壽命。 MCU上的軟件采用復雜的算法來識別何時閃存磨損，并開始遇到超出設置閾值的錯誤。然后，算法搜索另一個未磨損的塊，并將數(shù)據(jù)移至該塊。損耗均衡算法傾向于嘗試在Flash設備中平均分配損耗。這使損耗均衡成為一個相當復雜的過程，在提高可靠性的同時，最終增加了寫入操作的延遲。

Flash的寫入性能會產生重大影響。通常，要記錄的數(shù)據(jù)將被捕獲并收集到緩沖區(qū)中，直到可以寫入一個完整的塊為止。接下來，必須通過耗損平衡算法來識別要寫入的內存塊，這可能涉及在大型數(shù)據(jù)表中進行基于軟件的查找。對于Flash，必須先擦除該塊，然后才能將其寫入。最后，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)被寫入內存。

實時捕捉

當電源出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)幾乎沒有時間做出反應。因此，為了以高可靠性存儲游戲數(shù)據(jù)，必須連續(xù)捕獲和存儲數(shù)據(jù)。最壞的情況是在游戲事件期間發(fā)生電源故障，因為這是實時數(shù)據(jù)產生最多的時刻。

如果在閃存寫入過程中的任何時間發(fā)生故障，則緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)將丟失。寫入過程越長，丟失數(shù)據(jù)的風險就越大，這對于理解機器為何故障以及建立完整性操作至關重要。

為了最大程度地減少寫入時間并提高整體可靠性，制造商正在轉向高度可靠的NVRAM解決方案，例如鐵電隨機存取存儲器（FRAM）。作為一種非易失性存儲技術，F(xiàn)RAM相對于電池供電的SRAM，EEPROM和閃存，為數(shù)據(jù)記錄應用提供了許多優(yōu)勢。FRAM具有極高的耐用性，可反復讀寫多達10 ^ 14個周期，對于記錄應用程序實際上是無限的。由于具有如此高的耐用性，因此無需進行磨損平衡，從而簡化了寫入過程。

此外，F(xiàn)RAM是一種隨機訪問技術，不需要緩沖區(qū)，可以直接在非易失性存儲單元中執(zhí)行寫操作，而無需先進行單獨的擦除周期。這意味著在收集數(shù)據(jù)時，可以立即將其存儲在非易失性存儲器中。隨機訪問還消除了與內存分頁相關的延遲。因此，與閃存使用緩沖區(qū)所需的相對較長的窗口相比，可以“立即”寫入已記錄的數(shù)據(jù)（參見圖2）。

（圖2：在緩沖區(qū)中捕獲數(shù)據(jù)并僅在緩沖區(qū)已滿時才將其寫入Flash的延遲使關鍵數(shù)據(jù)處于危險之中。如果在此期間發(fā)生電源故障，則會丟失重要的取證數(shù)據(jù)。）隨機訪問捕獲的數(shù)據(jù)可以立即寫入FRAM。這消除了EEPROM的寫入等待時間，從而最大限度地減少了風險和數(shù)據(jù)丟失的時間。

為了提供更高的可靠性，F(xiàn)-RAM存儲器包括片上錯誤代碼校正（ECC），以檢測和校正位錯誤。此外，F(xiàn)RAM讀取具有破壞性。因此，當讀取數(shù)據(jù)時，F(xiàn)RAM陣列中的任何位翻轉都會被檢測到并通過ECC進行校正，并將校正后的數(shù)據(jù)寫回到該陣列中。這確保了更高的可靠性，并提高了FRAM的使用壽命。

F-RAM通過串行接口（如SPI）連接到標準存儲控制器。與電池供電的SRAM使用的并行接口相比，串口的使用可釋放處理器引腳，從而使開發(fā)人員可以選擇更緊湊的MCU封裝，減少總線走線并減小電路板尺寸。

例如Infineon Technologies的Excelon FRAM，可用于工業(yè)和汽車級，以確保在極端工作條件下的高可靠性。工業(yè)F-RAM在最高溫度為85°C時可以存儲長達10年的數(shù)據(jù)，而在60°C時可以存儲到151年。這些存儲器還具有高性能的108 MHZ Quad SPI接口，使它們能夠提供與并行電池供電的SRAM相當?shù)男阅堋?/p>

數(shù)據(jù)和代碼

由于其連續(xù)，隨機訪問的性質，單個FRAM器件可用于數(shù)據(jù)記錄和代碼存儲。實際上，單個存儲器可以代替ROM和RAM設備，因為FRAM同時提供SRAM和Flash的功能。在單個存儲設備中組合數(shù)據(jù)和代碼可以簡化系統(tǒng)設計并降低總體成本。此外，將算法代碼存儲在FRAM中會自動保留系統(tǒng)在發(fā)生故障時使用的代碼映像，這在故障取證過程中非常有用。

為了滿足游戲機等應用程序對內存的可靠需求，F(xiàn)RAM具有高密度特性，目前最高可達8 Mbit，2021年初將推出16 Mbit產品。

當今的賭場運營商需要高度可靠的游戲機來保護自己的利益，以防萬一機器在不適當?shù)臅r間出現(xiàn)故障或斷電。當前的電池供電的SRAM系統(tǒng)缺乏物理魯棒性，增加了系統(tǒng)成本，并產生了持續(xù)的維護費用?；陂W存的系統(tǒng)可以在斷電期間保留數(shù)據(jù)，但也可以丟失其緩沖區(qū)，緩沖區(qū)具有最關鍵的數(shù)據(jù)，對于了解游戲系統(tǒng)為何以及如何出現(xiàn)故障是至關重要的。通過與FRAM協(xié)作，開發(fā)人員可以創(chuàng)建數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過在捕獲數(shù)據(jù)時寫入數(shù)據(jù)來提供最高的可靠性，從而確保賭場運營商擁有建立證據(jù)鏈并確保可以成功獲得取證分析所需的數(shù)據(jù)。

（作者：Shivendra Singh是賽普拉斯高級應用工程師；Karthik Rangarajan是Infineon的高級產品營銷工程師。）

編輯：hfy